基于图论分析的生物活性功能脑网络研究

发布时间：2018-03-26 21:03

本文选题：微电极阵列　切入点：电生理记录　出处：《中国人民解放军军事医学科学院》2017年博士论文

【摘要】：脑是控制运动、产生感觉及实现高级认知功能的中枢系统。在脑中,由神经元、神经群体、神经核团或者是脑区所形成的功能网络和结构网络是脑功能的生理基础。开展功能脑网络研究,探索大脑功能网络在不同状态下的组织模式,对大脑功能的理解、大脑疾病的预防与治疗以及类脑计算机的开发,都具有重要的价值,成为了神经科学领域的研究热点之一。近年来,随着网络科学的概念在神经科学领域中的引入,越来越多的神经科学家开始将图论(网络科学的数学工具)引入到功能脑网络分析中来。通过图论分析,研究人员能够使用一些定量指标,从系统水平上研究脑活动单元之间的功能连接性,揭示大脑内在的功能组织模式,极大促进了功能脑网络研究的发展。目前基于图论的功能脑网络研究主要集中在以EEG、MEG和fMRI技术为基础的宏观尺度上,针对神经群体、核团或者脑区之间功能脑网络的组织模式开展相关研究。这种研究方式已经被应用到大脑智力、大脑执行任务和大脑衰老等相关研究中,从网络水平上探索其生理机制。此外,图论分析也将有可能开发出一些指标用于预测或者检测某些神经疾病(如精神分裂症、老年痴呆和抑郁症等),为疾病的早期筛查和治疗提供参考。但是,这些宏观的研究方法是具有一定的技术限制的。首先,他们测量的是神经元群体直接或者间接的总体反应,如EEG是脑神经细胞的电生理活动在头皮表面的总体反映、fMRI是使用核磁成像技术测量的神经元活动所引发之血液动力的改变。基于这些宏观技术进行功能脑网络研究,首先得假设皮层之间通路信息转移是可以通过它们测量的活动所表示,缺乏直接的神经元功能连接性的测量来验证其有效性。另外,这些技术也存在时间分辨率、空间分辨率和研究花费不能兼顾的问题。事实上,在介观尺度中,即以数十至数百个神经元组成的脑网络为研究对象开展相关研究,可以更为精细的揭示大脑的功能组织模式,具有重要意义。已有研究表明,在介观尺度上,体外培养的神经网络和脑切片中的神经网络在自发放电活动中会展现出“小世界”(节点之间经过少数几步就可到达)和“rich-club”(连接数高的节点之间容易产生连接)的功能连接性组织拓扑学结构,在猕猴的视觉皮层中同样也发现了类似“小世界”的功能网络组织特性。然而,介观尺度上基于图论的功能脑网络研究还较为初步,我们还不清楚外界刺激或者是不同的实验范式对这种功能网络组织模式是如何影响的。本论文从体外培养细胞、脑切片组织和在体大脑皮层三个水平上开展了介观尺度上的功能脑网络研究。简要概括如下:第一部分:药物和电刺激对体外培养神经网络的功能连接性影响规律研究实验一:谷氨酸和GABA急性处理对体外培养神经网络的功能连接性影响规律研究。通过分别对体外培养神经网络实施神经兴奋性药物谷氨酸和神经抑制性药物GABA,明确谷氨酸和GABA对体外培养神经网络的功能连接性组织模式的影响规律。在本部分研究中,利用平面微电极阵列进行皮质神经细胞的体外培养,同步记录多个位点神经元在谷氨酸/GABA以药物浓度积累方式作用下的电活动;之后从多通道电活动记录中提取神经网络的网络簇发放电数据,并以此为基础,利用交叉协方差进行不同通道之间电活动相关性分析,评估其连接性权重;最后基于阈值法,构建功能连接网络,分析药物影响下体外培养神经网络功能连接性图论指标的变化。结果表明,与未施加药物的自身对照相比,谷氨酸处理后增加了神经培养物的功能网络的连接性权重、网络密度和小世界属性;GABA急性处理导致体外培养神经元的功能网络的网络密度和最大连通子图的大小出现下降。但是,连接性权重和小世界属性不受GABA的显著影响。在本部分研究中,建立了基于多电极阵列电生理记录的功能脑网络图论分析体系。同时,本部分的结果也表明使用图论分析的方法,可以从功能组织模式变化的角度,去研究药物对神经网络的影响。实验二:慢性电刺激对体外培养神经网络的功能连接性影响的规律研究。通过对体外培养神经网络实施慢性电刺激,明确其对体外培养神经网络的功能连接性组织模式的影响规律。在本部分研究中,利用平面微电极阵列进行皮质神经元的体外培养。将神经细胞培养至第7天后,神经培养物被分为三组,其中对照组不接受任何刺激,0.02Hz刺激组每天接受1个小时的频率为0.02Hz电脉冲刺激,0.2Hz刺激组每天接受1个小时的频率为0.2Hz电脉冲刺激,同时只选用位于电极阵列一侧的30个电极进行单电极随机顺序的电刺激。在第14、18、22和26天对这些皮质神经元培养物进行电活动记录,记录当天不进行刺激;之后从多通道电活动记录中提取神经网络的网络簇发放电数据,并以此基础,利用交叉协方差的方法进行不同通道之间电活动相关性分析,评估其连接性权重;最后基于阈值法,构建功能连接网络,分析慢性电刺激对发育中的体外培养神经网络的功能连接性影响的图论指标的变化。结果表明,在对照组中网络密度显著地随着培养的时间增加而增加,经过约3周的刺激后,在0.02Hz刺激组中表现出了类似的趋势,但是0.2Hz刺激组中的网络密度却保持稳定。同时,在14、18、22和26天评估的神经培养物的功能网络都具有小世界网络结构,并且这种小世界属性不受0.02Hz和0.2Hz的电刺激影响。第二部分:电磁脉冲刺激对脑切片中神经网络功能连接性的影响规律研究通过对脑切片中神经网络实施电磁脉冲刺激,明确其对脑切片中神经网络功能连接性组织模式的影响规律。在本部分研究中,以1Hz和20Hz的重复电磁脉冲刺激前后的小脑脑切片多电极记录到的神经活动为基础;利用交叉协方差进行不同通道之间电活动相关性分析,评估其连接性权重;最后基于阈值法,构建功能连接网络,分析脑切片中神经网络在电磁脉冲刺激下功能连接性的变化。结果表明,20Hz的电磁脉冲显著的降低小脑脑切片中神经网络的连接性权重、平均度和网络密度,但是该功能网络的小世界属性却不受影响。1Hz的电磁脉冲对小脑脑切片的连接性权重、平均度、网络密度以及小世界属性都没有影响。我们初步得出结论,高频的电磁脉冲抑制脑片中神经网络的功能连接性形成,表现在连接权重、平均度和网络密度的降低。第三部分:猕猴伸手抓握过程中大脑皮层神经网络的功能连接性变化规律研究通过引导猕猴执行伸手抓握任务,明确任务相关的功能脑网络组织模式和不同动作状态下的特征。在本部分研究中,以猕猴执行伸手抓握的S1、M1和PPC脑区中多电极阵列记录的神经元脉冲发放数据为基础;利用交叉协方差进行不同通道之间电活动相关性分析,评估其连接性权重;最后基于阈值法,构建功能连接网络,分析猕猴在执行hold、reach和grasp动作时功能脑网络组织模式的特点。结果表明,三种动作状态下,hold动作对应的连接性权重最低,平均度、网络密度和小世界属性处于中间位置;reach动作对应的连接性权重处于中间位置,平均度最低,网络密度最高,小世界属性最低;而对于grasp动作,其连接性权重、平均度和小世界属性都最高,但是其网络密度却是最低的。这些规律表明,使用图论分析的方法,我们在猕猴大脑皮层的功能脑网络中找到了和运动类型特异性较强的运动特征参数,如连接性权重、平均度、网络密度和小世界属性。综上所述,本研究建立了基于多电极阵列记录的功能脑网络图论分析体系。并针对体外培养神经网络、脑片神经网络和在体皮层神经网络开展了神经网络功能组织规律的相关研究。初步揭示了功能脑网络图论分析在研究神经网络在不同范式(如药物、电脉冲、磁场脉冲或者运动控制)中的功能组织规律方面研究中的重要价值。本研究也在一定程度上阐明,从网络的角度开展大脑的研究可以为我们提供一种新的思路来理解大脑活动的规律。
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【学位授予单位】：中国人民解放军军事医学科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R338

【参考文献】